《精编》光纤技术专题报告

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1、光纤技术专题 饶云江长江特聘教授 电子科技大学通信与信息工程学院Email yjrao 二零零五年九月 提纲 专题一 光纤激光器专题二 光纤到户 FTTH 技术 OpticalFiberTechnologyGroup 光纤激光器的发展现状 激光器和光纤激光器的基本原理几种实用型光纤激光器 激光器的基本原理 激光器的基本原理是光受激辐射的放大激光器的三个组成部分 泵浦源 工作物资 谐振腔短脉冲激光器的产生 锁模技术 光纤激光器的基本原理 光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物资是掺杂光纤 光纤环是谐振腔 一般采用半导体激光器泵浦光纤激光器的优点短脉冲光纤激光器 高速短脉冲光纤激光器 超短脉冲光

2、纤激光器 几种实用的光纤激光器 宽带ASE光纤光源大功率双掺杂光纤激光器窄线宽光纤激光器短脉冲光纤激光器 宽带ASE光源 ASE光源的概念ASE是英文AmplifiedSpontaneousEmission的缩写 激光器在形成激射之前 自发辐射光出射 因此在整个增益区都有光发出 ASE光源的应用广泛应用于光无源器件和光通信器件的测试中 如在光纤光栅 薄膜滤波器和光纤耦合器光无源器件中 采用ASE光源与采用白光源和可调谐激光光源相比 可提高功效10倍以上 宽带ASE光源1 美国Polaronyx公司的宽带ASE光源波长 1525 1610nm功率 5 14dBm增益平坦度 5dB输出稳定性 15

3、分钟 0 005 0 01dB输出稳定性 8小时 0 02 0 05dB 宽带ASE光源2 深圳朗光的ASE光源波长 1525 1610nm功率 10dBm输出稳定性 15分钟 0 02dB输出稳定性 8小时 0 05dB 大功率光纤激光器 实现大功率输出的主要技术采用包层泵浦技术 采用特种光纤作为增益介质 同时采用特种材料制造光纤大功率光纤激光器的应用激光加工 激光医疗和军事 大功率双掺杂光纤激光器1 英国SPI公司的大功率光纤激光器redPOWERTM高功率光纤激光模块 1550nm输出最大可达4W 波长1 5 mredPOWERTM紧凑激光模块 2W 10W 最大输出可达10W 波长1

4、m 大功率双掺杂光纤激光器2 俄罗斯IPG公司的大功率光纤激光器YLR SMSeries100Wto1 5kWoutputOpticalPower1060to1080nmWavelengthRange 100khrsEstimatedPumpDiodeMTBF 光纤激光器打标系统 大功率双包层光纤激光器打标系统的光路图JDSUniphase sContinuousWave CW FiberLaserMarking FLM System 光纤激光器打标系统的应用1 激光雕刻 右图为激光雕刻的示意图下图为激光雕刻的图形 光纤激光器打标系统的应用2 光纤激光器可以用于材料的改性 右图为示意图下图为材

5、料改性的例子 光纤激光器打标系统的应用3 大功率光纤激光器可以用于激光切割和剥离 右图为示意图下图为剥离出来的图形 连续激光和脉冲激光打标的比较 下图左图为连续打标系统的效果 右图为脉冲激光打标系统的效果 光纤激光器和其它激光器比较 和二氧化碳激光器比较可以有更高峰值功率脉冲激光 可以加工的材料种类更多使用方便 采用光纤传输可以有更大的扫描范围能量转换效率高 光纤激光器的电光转换效率为25 而二氧化碳激光器只有5 光束质量好 和YAG激光器比较光光转换效率高 光纤激光器的转换效率为70 YAG只有20 使用寿命长 无需复杂的冷却系统 容易调节光纤传输 不怕污染 光束质量好 光纤激光器与YAG固

6、体激光器的比较 窄线宽光纤激光器 实现窄线宽的相关技术主要采用光纤光栅或者光纤F P干涉仪等滤波器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的相关长度长 在相关光通信系统 光纤传感系统 光学测量系统有很好的应用前景 DBR型窄线宽光纤激光器 窄线宽光纤激光器1 NPPhotonics公司的窄线宽光纤激光器Verynarrowlinewidth longcoherentlength 3kHzUpto150mWoutputpowerSinglelongitudinalmodeSinglepolarizationoperation 窄线宽光纤激光器2 美国Polonyx公司的窄线宽光纤激光器

7、linewidth5kHzUpto200mWoutputpower输出稳定性 8小时 0 05dB 超窄线宽光纤激光器在光纤传感中的应用 它的基本应用原理就是频率调制连续波技术 FMCW 在FMCW技术中 激光输出频率围绕它的中心频率不断变化 而激光的一部分光被耦合进一个有固定反射率的参考臂中 在外差相干探测系统中 该参考臂就充当了一个本地振荡器的作用 充当传感作用的是另一跟很长的光纤 从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混合产生一个光拍频 该频率与它所经历的时间延迟差相对应 传感光纤上的远处信息就可以通过测量光谱分析仪上的光电流的拍频来获取 传感光纤上的分布式反射可以是最简单

8、的瑞利后向散射 通过这种相干探测技术 敏感度低至 100db的信号都能很轻易地探测到 对于任何一套相干FMCW技术系统而言 最关键的部分是要一台相干长度很长的光源来实现很高的空间精度和大的测量范围 超窄线宽光纤激光器在激光测距中的应用 基于FMCW技术原理 超窄线宽光纤激光器能够广泛应用于几百公里的激光目标指示和激光测距 从而可以十分低成本地搭建ISR平台 一套超远距离的激光指示 测距由激光器 准直器和接收器 信号分析仪组成 窄线宽激光器的频率成线性快速调制 通过测量从目标处反射回来的的信号光与参考光一起混频产生光电流便可获取远处的信息 在FMCW技术系统中 激光器的线宽或相干长度决定了测量的

9、距离和敏感度 短脉冲光纤激光器 主动锁模技术主动锁模主要采用电光调制器等主动锁模器件进行模式之间的位相锁定 实现短脉冲被动锁模技术被动锁模是使用被动饱和吸收体进行脉冲窄化 实现短脉冲和超短脉冲短脉冲光纤激光器的应用短脉冲光纤激光器在光通信 光学测量 激光加工等多个领域有很好的应用前景 高速短脉冲光纤激光器 美国Calmar公司10G皮秒光纤激光器PSL 10 XX波长范围 1530 1565nm可调或范围内固定重复频率 5 11G可调或10G固定 脉宽 1 10ps可调或范围内固定 平均输出功率 20mW高速短脉冲光源对于光时分复用系统 光学取样技术等有重要的意义 超短脉冲光纤激光器1 美国C

10、almar公司飞秒光纤激光器 FPL 0X XX波长范围 1535 1560nm可调或范围内固定重复频率 20M或10 50M可调 脉宽 100fs 1000fs可调或范围内固定 平均输出功率 50 100mW超短脉冲光源可以用做大型激光系统的种子光源 同时在时间定标等领域有重要的应用 超短脉冲光纤激光器2 IPG公司的飞秒光纤激光器Upto50kWPeakPower100 000hrsPumpDiodesLife 超短脉冲光纤激光器3 美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器 模块 波长范围 1530 1600nm内固定重复频率 35 60MHz范围内固定脉宽 100fs 典型 平均功率 1

11、00mW峰值功率 0 5 20KW FTTP光纤通信行业的新亮点 一 光通信行业总趋势二 FTTP技术发展动向三 FTTP关键器件四 FTTP 市场新亮点 一 光通信行业总趋势投资先热后冷引起的行业冬天 自2001年投资金额不断下降 011Q 181亿012Q 147亿013Q 124亿014Q 140亿021Q 80亿022Q 92亿023Q 82亿 泡沫时期世界光器件市场销售变化 2003年上半年器件行业特点 系统公司全面退出 器件公司格局初定5月12日Avanex公司签署最终协议以2003年5月9日每股 1 12的收盘价 总共约 63 5million的联合交易价收购Alcatel和Co

12、rning的光器件业务 市场通过转让 兼并 破产的一轮大洗礼 国际市场器件公司格局基本确定 JDSU BOOKHAM AVANEX FINISAR TRIQUINT INFINEON Finisar2003 4月收购Genoa 获LSOA 1300 1550nmVCSEL产品技术OCP继CieloCommunications后 2003 2 3日又宣布收购GorePhotonics 或850nm 1310nmVCSELparallemoduleVitesse2003 6 9收购MultilinkTechnology 把metro和长途10 Gbit stransceiver改造为光互连back

13、planetransceivers 2 局部兼并收购 调整产品布局 AgilentTechnologies2003年2月宣布在马来西亚开辟两家新的R D和生产厂 面积达550 000平方英尺 Agilent40 的生产在亚太地区 40 在北美 20 在欧洲 2004年亚太将达到50 最近关闭英国的工厂 设备搬迁新加坡Finisar2001年11月在马来西亚建光模块生产基地 现规模达到1200人 2002年在上海建成无源器件厂 130人 OplinkCommunications也把它的无源器件厂建在中国 扩大它在中国的生产规模 中国大陆 台湾 东南亚是国际公司关注的焦点 3 地区分工 亚太成为低

14、成本区 城域和接入产品特点网络密集 节点增多 器件量大 价格敏感投资过剩 技术门槛低 库存量大 竞争者众高端产品市场未启动 低端产品价格大滑坡全光网络技术不成熟 无明显市场热点销库存抢市场 4 价格大战增产难增收 5 市场低迷亏损持续 161million 61 6million 2003 6 30 FTTP概念 二 FTTP技术发展动向 1 PON发展简史BritishTelecom发展T PON 住宅窄带 B PON 宽带 80年代后期 T PON商业应用 90年代初期 近来50k 用户ContinentalEurope各种试验和应用 包括 DT 计划OPAL 几个100k住宅客户在PON

15、 fedFITL系统 AlcatelBellPre FSANATM PON在安特卫普 90年代初 KPN 荷兰 小商业区试验 90年代中期 SuperPON high split 2k subsperPON 电视广播系统 90中期 NTTPi PON 住宅窄带 video 90年代中期 各种ATM PON系统 90年代中租用线路 ATM接口3 000 CO设备withFSAN compliantOLTs andgrowing NorthAmericaBellSouth SBC Verizon Qwest进行的各种试验 应用 1990年代 使用特殊系统的各种小乡镇FTTH应用 90年代 FSAN

16、在1995年由BT NTT FT 和DT成立 无源光网络 PON 中度复杂性Fiber lean结构 点对点结构工作简单光纤用量多 环形结构 SONET DWDM 工作复杂原理是fiber lean结构实际情况见下张片 Customers Customers Splitter 2 光接入的主要方案 点 点 环状 PON 点对点接入 IEEE于2001年初成立802 3EFM工作组以现有IEEE802 3协议为基础实现在用户接入网传输以太网帧EFM工作组定义了三个拓扑结构核物理层 通过现有铜线以10Mbps以上数据和750米距离完成P to P铜线连接使用一根光纤以1Gbps数据在10km内实现P to P光纤连接使用一根光纤以1Gbps数据在10km内实现P to MP光纤连接P to P光纤连接特点 采用802 3z1000Base LX技术标准单纤双向技术 2001年我公司向北美销售大量DiplexerTrsnsceiver用到这种接入技术 Winfirst 双方收发器对称 可充分利用其带宽 CO CO 环状结构接入 因为多个客户共用各接入点的成本可与铜线竞争增加或减少客户不影响正